論高速新老路基結合部拼接中錨固加筋技術

陳 浪

（貴州橋梁建設集團有限責任公司,貴州 貴陽 550001 ）

0 引言

高速公路改造工程中的路基拓寬施工重點包括新舊路基間的良好銜接[1]。傳統的施工方法是在舊路基的邊坡上開挖臺階，然后鋪設一層土工格柵，將新舊路基連為一體[2]。為改善高速公路高填方路基拓寬工程的施工質量，可采用路基加寬錨固加筋工法，先開挖邊坡，再用錨桿錨固邊坡，有效防止土工格柵的滑動，更好地發揮其加筋作用，從而實現新舊路基的良好銜接，最終確保差異沉降得到有效控制。

1 路基加寬錨固加筋法作用機理

1.1 錨桿錨固機理分析

一套完善的錨桿體系主要包括受錨巖土體、錨桿體、膠結材料（注漿體），從微觀層面看，還應該包括錨桿與膠結材料之間的交界面、巖石與膠結材料的交界面。這些交界面不僅是介質相互作用的區域，同時也是決定錨固體系承載能力的關鍵區域。錨固加筋法的作用機理及高速公路路基拓寬時采用的錨固加筋結構如圖1所示：

圖1 錨固加筋組合結構用于路基加寬示意圖

1.2 土工格柵在新老路基結合部拼接中的作用機理

土工格柵錨固加筋對新舊路基交界處的作用機理：①可降低路基交界處的橫向應力，使路基的抗剪能力得到最大程度的釋放，有效加強新舊路基之間的相互作用，使拓寬后的路基結構更加穩定。②控制新舊路基及其交界處的沉降。土工格柵錨固加筋可以有效改善舊路基的整體結構承載力，從而降低新舊路基的差異沉降。③通過新型路基填筑材料與土工格柵的交互作用，可以有效控制新路基橫向位移，從而保證拓寬后的路基結構穩定性[3-4]。

1.3 錨固加筋組合結構機理分析

對于新路基，各層加筋材料對其承載能力的貢獻有所不同。第i層加筋材料產生的拉力Ti=min{T1tds,Pupi}，式中，T1tds——加筋材料的設計強度；Pupi——臺階上加筋材料提供的抗拔力。由于臺階的大小和合理埋深的限制，其抗拔力較小，使得新舊路基的不均勻變形難以控制。從圖2可以看出，在舊路基邊坡支護中，錨固加筋材料與錨桿連接后強度可達T1tds，因此，可利用加筋材料對高填方路基的非均勻變形進行有效控制。

圖2 錨固加筋組合結構筋材拉應力分布曲線示意圖

2 錨固加筋組合結構設計技術

高速公路高填方路基加寬錨固加筋結構設計的關鍵在于確定錨桿拉力[5]。從圖3可以看出，對于新路基，第i層加筋材料產生的拉力為Ti，臺階拉拔力耗去部分Pupi，剩余Treari由錨桿承受。即Treari=Tmaxi-Pupi=Tmaxi-2αptan'σ'niLeib式中，Tmaxi——加筋材料提供的最大拉力，在極限平衡條件下Tmaxi=T1tds；Pupi——第i層加筋材料的抗拉拔力；σ'ni——第i層加筋材料上的豎向壓應力，σ'ni=γhi+Ws，式中Ws——道路表面及交通工具的附加荷載；Lei——第i層加筋材料的錨固長度，b-加筋材料寬度，土工格柵加筋結構中b=l m。

圖3 路基加寬中沿筋材長度方向拉應力分布示意圖

可通過以下公式計算錨桿受到的拉力：Pani=TreariShi secω。式中，ω——錨桿與水平方向夾角；Pani——施加于第i個錨桿的拉力；Shi——相鄰的橫向錨桿之間的間隔。通過計算，得到錨桿拉力設計值，可依據工程實際情況確定錨固長度、錨孔直徑和錨固材質。筋材與錨桿組合如圖4所示：

圖4 筋材與錨桿聯合示意圖

3 錨固加筋技術控制高填方加寬路基差異沉降的數值分析

為明確錨固加筋對高速公路高填方路基拓寬時的差異沉降控制效果，對某高速公路改造工程的實際斷面展開數值分析。

3.1 工程概況

某高速公路改造工程總長44.6 km，目標是在原有四車道的基礎上再增加四車道，公路沿線某段路基加寬，路基高7.8 m，舊路基表面寬度27 m，兩邊分別拓寬7.8 m。地表下土體結構為粉質載土、黏土粉土。

3.2 模型建立與參數選取

鑒于路基拓寬問題的影響因子較多，為了便于計算，假設：①基于平面變形問題，采用二維有限元分析方法。②利用M-C理想彈塑性模型對路基填土、路基土體之間的關系進行分析。③舊路基與新舊路基的交界處，在變形過程中不會產生較大的滑動和脫離。④新舊路基的初始應力來自新舊路基的自身荷載[6-7]。因此，基于以上假設，可以利用計算剖面建立模型，進行有限元分析。土工格柵是一種僅受拉、無壓縮、無彎曲、無抗彎的剛度柔性材料，可用有限分析工具中集成的土工格柵單元進行模擬，土工格柵和錨桿的主要指標如表1所示：

表1 格柵計算參數

拉筋、土體間的應力傳遞主要由界面力學特征決定，該工程路基土層分布如圖5所示：

圖5 路基土層分布

3.3 計算結果分析

為明確錨固加筋技術的應用效果，可對比分析“開挖臺階+土工格柵加筋+錨桿加固”“開挖臺階”“開挖臺階+土工格柵加筋”三種加固方案效果[8]。

3.3.1 路基變形效果分析

（1）地面豎向沉降：采用3種加寬方案處理后的地面附加沉降曲線如圖6所示。由此可見，單一的土工格柵實際應用效果并不顯著，無法有效控制附加沉降，與單純開挖臺階的加固方案比較，新路基表面沉降僅降低0.3%。采用錨固加筋加固后，新路基表面的沉降量降低7.2%，使路基底部應力均勻化。

圖6 不同方式處治后地表附加沉降

（2）地表橫向移動：三種加固方案下，新舊路基地表橫向位移變化如圖7所示。從圖中可以看出，采用土工格柵加筋法降低的橫向位移量比僅開挖臺階法增加14.5%。而采用錨固加筋法可以使地表的橫向位移量降低40.6%左右。

圖7 不同方式處治后地表水平位移

3.3.2 路基路面沉降效果分析

三種加固方案下，新舊路基表面工后附加沉降變化曲線如圖8所示。方案三下，新路基表面的工后附加沉降以及差異沉降小幅降低，新舊路基交界處的差異沉降最大，路面邊坡坡率變化值為0.57%，超出施工設計要求。方案一下，新舊路基交界處的施工后沉降減少12.9%，且差異沉降得到有效控制，路面坡率變化值為0.35%，符合施工設計要求。

圖8 不同方式處治后路基面工后附加沉降

3.3.3 格柵受力分析

（1）采用方案三時，土工格柵整體拉力較低，最高為16.5 kN/m。

（2）采用方案一時，土工格柵在2 m高處受力最大，達84.7 kN/m，而在4高處，最大受力為57.5 kN/m。

（3）6 m高處的土工格柵承載能力相對下兩層更差，但總體優于方案三。從總體上講，采用“開挖臺階+土工格柵加筋+錨桿加固”方案可有效改善土工格柵的承載能力，增強其抗拉性能。

3.3.4 高填方路基加寬的穩定性分析

根據有限元強度折減法可以得到三種加固方案對應的高填方路基加寬安全系數分別為3.047、2.562、2.408，說明采用方案一“開挖臺階+土工格柵加筋+錨桿加固”可有效加固高填方路基，提高新舊路基的整體穩定性[9-10]。

4 結論

綜上所述，如何在新舊路基之間進行可靠銜接，防止新舊路基之間產生差異沉降是目前高速公路路基加寬施工中的重要技術問題。常規施工方法是開挖臺階后鋪設一層土工格柵，該文提出在開挖臺階后，用錨桿對邊坡進行加固，再將錨固中的鋼筋與土工格柵結合，使其與舊路基形成一體，然后利用有限元分析工具模擬高速公路高填方路基的加固處理過程及效果，有效防止舊地基上的土工格柵滑移，使其更好地起到加固作用，確保新舊路基結構的整體穩定性。